배터리로 달리는 전기자동차,
화려하게 돌아오다

오늘날 전기는 인간의 모든 활동과 경제를 지탱하는 중요한 에너지원이며, 자동차는 세상을 움직이는 기본 수단이기 때문에 친환경 전기에너지의 생산과 사용이 늘어난다면 지금의 환경 위기를 벗어나는 데 큰 도움이 될 것이다. 그리고 전기에너지는 만들고 사용하는 방식에 따라 이산화탄소와 미세먼지를 배출하지 않을 수 있다. 그 중심에 전기자동차와 수소자동차 같은 친환경 자동차가 있다. 친환경 자동차 산업이 유망 산업으로 급격히 떠오른 이유이다.

자동차가 처음 만들어지던 때 전기자동차가 이미 등장해 엔진자동차와 경쟁했다. 오히려 초기에는 전기자동차의 성능이 엔진자동차보다 좋았으며, 최초로 시속 100킬로미터를 달성한 자동차도 전기자동차였다. 그런데 우리는 최근에야 전기자동차를 자주 볼 수 있게 되었다. 왜 전기자동차는 엔진자동차와의 경쟁에서 밀려 사라졌을까?

1800년대 중반 프랑스의 물리학자 가스통 플랑테가 세계 최초로 충전 가능한 2차전지인 납축전지를 발명한다. 이후 사람들은 전지를 동력으로 이용하는 자동차를 만들기 위한 연구를 시작했다. 1888년 독일의 발명가 안드레아스 플로켄이 직류모터와 납축전지를 이용해 최초의 전기자동차를 만들었다. 벤츠가 1885년에 최초의 엔진자동차를 발명했으니, 19세기 말부터 전기자동차와 엔진자동차가 경쟁한 셈이다. 그러나 1900년대 초반 전기로 엔진에 시동을 걸 수 있는 기술이 개발되고, 포드사가 엔진자동차 대량생산에 성공하면서 가격이 낮아지자 엔진자동차가 대부분의 자동차 시장을 차지한다. 더구나 엔진자동차는 기름만 넣으면 달릴 수 있는 편리함을 가지고 있었기에 전기자동차는 결국 비용과 편리성 면에서 밀려나고 말았다.

1900년대 초반에 사라졌던 전기자동차는, 1990년 미국 캘리포니아주에서 배출가스가 없는 친환경 자동차를 일정 비율 이상 생산하고 판매할 것을 강제하는 ‘무공해차 의무화 법안’이 만들어진 덕택에 다시 등장했다. 이 법안에 대응하기 위해 미국 자동차 제조기업 제너럴모터스는 전기자동차 콘셉트카인 GM 임팩트를 기반으로 EV1을 개발하여 양산한다. 그러나 자동차 회사들이 무공해차 의무화 법안 소송에서 이기면서 법안이 폐기되고 만다. 수익이 나지 않는 전기자동차 생산에 부담을 느끼던 자동차 제조기업들은 법안이 폐기되자 엔진자동차와 하이브리드 자동차 생산에 주력하면서 전기자동차는 시장에서 다시 사라졌다.

2000년대 들어 각 나라의 환경 규제가 심해지자 또다시 전기자동차가 자동차 산업의 화두가 되고 있다. 테슬라의 시가총액이 가장 큰 자동차 제조기업인 토요타의 시가총액을 넘어선 지 오래되었을 정도다. 엔진자동차를 고집하던 전 세계 자동차 제조기업들도 전기자동차 시장에 뛰어들어 치열한 경쟁을 벌이고 있다. 이와 함께 전기자동차의 핵심인 배터리 산업도 성장하고 있다. 현재 자동차 배터리로 가장 많이 쓰이는 리튬이온전지의 단점을 보완하려는 노력이 계속되고 있고, 리튬이온전지보다 성능이 향상된 태양전지, 전고체배터리, 연료전지 등 다양한 형태의 배터리 관련 기술이 꾸준히 발전하고 있음을 고려하면 전기자동차의 발전 속도는 더 빨라질 것이다.

《환경은 걱정되지만 뭘 해야 할지 모르는 사람들을 위한 과학과 기술》 1부에서는 친환경 자동차 산업에 대해 살펴본다. 전기자동차와 엔진자동차가 개발 초기에 어떻게 경쟁했으며, 전기자동차가 다시 급부상한 이유를 다룬다. 이를 위해 우선 전기의 발명 역사를 설명하고, 배터리의 발전 과정과 기술을 일목요연하게 정리했다. 전 세계 과학자와 기업들의 연구와 개발 사례를 살펴보면서 여러 배터리의 장점과 단점은 무엇인지, 어느 배터리가 친환경 자동차에 가장 적합한지, 산업으로서의 가치와 전망은 어떠한지 등을 알려준다.

연료전지로 달리는 수소자동차
그리고 재생에너지의 미래

수소자동차는 전기자동차와 함께 친환경 자동차의 양대산맥이다. 수소자동차는 수소를 연료로 사용하는 연료전지를 적용한다. 전기자동차와 연료전지 자동차는 주행거리와 충전 시간에서 차이가 있다. 전기자동차는 리튬이온전지가 주 에너지원이므로 주행거리를 늘리려면 더 큰 리튬이온전지가 필요하나, 무게와 가격이 만만치 않아서 그 크기를 늘리기가 쉽지 않다. 게다가 충전 시간도 짧지 않은 편이다. 그런데 연료전지 자동차는 주행거리를 늘리고 싶으면 수소의 저장 용량, 즉 수소탱크의 크기만 늘리면 된다. 이러한 장점 때문에 지금은 전기자동차가 종류와 판매량에서 앞서고 있지만 시간이 지날수록 특히 수소연료전지 자동차가 시장을 점유할 가능성이 높다.

그런데 전기자동차와 수소자동차는 무조건 친환경적일까? 전기자동차는 배출가스를 내뿜지 않지만, 전기를 석탄으로 생산한다면 친환경이라고 할 수 없다. 석탄으로 전기를 생산할 때는 매연과 이산화탄소가 배출되기 때문이다. 수소자동차 역시 수소를 어떻게 얻느냐에 따라 친환경이 될 수도 있고 아닐 수도 있다. 수소는 지금으로서는 저장하기 어렵고, 비싸며, 화재 사고가 일어날 경우 피해가 크다는 단점이 있다. 그럼에도 수소는 재생에너지를 통해 쉽게 얻을 수 있다는 점에서 반드시 활용해야만 한다. 재생에너지는 햇빛, 바람, 강물, 온도차, 조류, 파도, 식물 등을 이용하여 햇빛으로부터 직간접적으로 얻은, 계속 사용할 수 있는 에너지를 말한다. 대표적으로 태양전지로 전력을 생산하는 태양광발전과 바람으로 전력을 생산하는 풍력발전으로 얻을 수 있다. 가장 친환경적인 수소는 이렇게 재생에너지로부터 얻은, 탄소 배출 제로인 그린수소다. 더욱이 그린수소는 에너지 자원이 턱없이 부족하여 대부분을 수입하고 있는 우리나라에서 에너지 자립을 가능하게 해줄 아주 중요한 자원이다. 많은 기업과 연구소에도 이러한 점에 주목해 꾸준히 연구개발을 하고 있다.

그린수소 생산을 활성화하려면 좋은 기술을 개발하여 낮은 가격으로 그린수소를 생산할 수 있어야 한다. 이를 위해 태양전지와 풍력발전기의 효율과 수명을 높이고, 고효율 태양전지를 낮은 가격으로 쉽게 만들 수 있어야 한다. 여러 태양전지가 개발되고 있지만, 그중에서도 페로브스카이트 태양전지는 우리나라의 연구기관들이 세계 최고 효율을 달성하고 있는 기술이다. 이와 함께 우리나라 곳곳에 햇빛이 1년 동안 얼마나 비추는지, 바람은 어느 세기로 얼마나 부는지 등을 측정해서 만든 ‘에너지자원 지도’같이 재생에너지를 잘 사용할 수 있는 기술도 함께 개발해야 한다.
《환경은 걱정되지만 뭘 해야 할지 모르는 사람들을 위한 과학과 기술》 2부에는 재생에너지로 생산하는 그린수소와 수소연료전지를 이용한 수소자동차, 저자가 타고 다니는 수소자동차인 넥쏘 사용기를 실었다. 또한 친환경 자동차 산업을 이끌어줄 태양광, 풍력 등 재생에너지를 이용한 발전 산업의 현황과 미래에 대해서도 다루었다. 이를 통해 친환경 자동차와 친환경 에너지가 어떤 상관관계를 가지며, 어떻게 우리의 삶을 변화시킬지 이해할 수 있을 것이다.

규모의 경제, 효율의 경제
이제는 자원보다 기술이다

인공지능을 기반으로 하는 4차 산업혁명이 시작되었다. 기존의 산업혁명은 석탄을 사용하는 증기기관에서 출발해 엔진을 사용하는 자동차, 전기를 대량생산하는 산업 시스템까지 규모의 경제를 추구한다. 규모를 크게 해야 이윤이 나고 산업이 활성화되는 구조인 것이다. 경제 규모의 팽창은 인류의 발달에 크게 기여했지만, 부작용도 만만치 않았다. 과잉생산과 과잉소비를 유발해 환경오염이 발생하고, 지구온난화와 기후위기가 날로 심화되고 있다.

4차 산업혁명은 인류가 친환경 에너지로 전환할 수 있도록 도와준다. 물론 친환경 에너지로 전력을 생산하더라도 효율적으로 저장하고 사용하기 위한 시스템이 필요하다. 《환경은 걱정되지만 뭘 해야 할지 모르는 사람들을 위한 과학과 기술》에서 다루는 친환경 자동차인 전기자동차와 수소자동차도 전력 저장체가 될 수 있다. 아침에 출근해서 주차장에 차를 세워두면 낮 동안 주차장 지붕에 설치된 태양전지에서 전력을 생산해서 전기자동차를 충전할 수 있다. 전력으로 물을 분해해 수소를 생산해서 수소자동차에 저장할 수도 있다. 이러한 일들을 효율적으로 수행해줄 수 있는 수단이 바로 인공지능이다.

인류에게 친환경 에너지로의 전환은 반드시 해야만 하지만 어려운 과제다. 그러나 방법은 있다. 엔진자동차를 전기자동차나 수소자동차로 바꾸고, 친환경 자동차에 걸맞은 친환경 에너지 시스템으로 전환하는 것이다. 태양광발전과 풍력발전 시설을 지금보다 대규모로 설치하고 효율적으로 관리해야 한다. 더불어 재생에너지는 생산 비용이 화석에너지보다 높은 것도 사실이므로 효율적으로 사용하도록 제어할 정책도 필요하다.

이 모든 방법을 통해 결국은 규모의 경제에서 효율의 경제로 넘어가야 한다. 효율의 경제에서는 자원보다 기술이 중요하다. 기존 경제를 이끌던 석유의 중요성은 점점 약해지고, 태양전지와 풍력발전 기술, 전기자동차 생산기술, 배터리 기술, 수소 생산기술 등 기술이 자원을 대체할 것이다. 기술이 발달한 우리나라에 더없이 좋은 기회다. 친환경이라고 해서 꼭 불편하지는 않다. 좋은 시스템을 만들면 환경을 해치지 않으면서 편하게 살 수 있다. 기후위기라고 해서 갑자기 불편하게 사는 삶으로 돌아갈 수는 없다. 《환경은 걱정되지만 뭘 해야 할지 모르는 사람들을 위한 과학과 기술》은 우리가 만들어온 기술과 산업을 통해 친환경 자동차와 친환경 에너지로의 전환을 위한 실마리를 찾고, 환경을 지키면서도 편하게 살아갈 수 있는 방법을 독자와 고민해보고자 한다.

추천사

에너지의 전환은 한순간에 이뤄지지 않습니다. 인류가 오랫동안 풀어야 할 숙제와도 같습니다. 《환경은 걱정되지만 뭘 해야 할지 모르는 사람들을 위한 과학과 기술》에는 과학기술이 어떻게 이 숙제를 풀 수 있는지에 대한 해답이 있습니다. 에너지의 과거, 현재, 미래…. 친환경 자동차와 미래 에너지 시스템이 궁금한 분들은 이 책을 꼭 읽어보시길 권합니다.
- 김종남 (한국에너지기술연구원 원장)

배터리의 시작이 개구리 뒷다리라고요? 세계 최초의 자동차가 전기자동차예요? 전기가 너무많이 생산된 탓에 정전이 되었다고요? 《환경은 걱정되지만 뭘 해야 할지 모르는 사람들을 위한 과학과 기술》은 인류가 어떤 과정을 거쳐 전기를 발견하고 활용하게 되었는지, 전기와 배터리가 어떻게 친환경 자동차 산업을 발전시켰는지 흥미진진하게 설명하고 있습니다. 이 책을 통해 전기와 배터리, 재생에너지의 미래, 전기자동차와 수소자동차의 모든 것을 알 수 있을 것입니다.
- 한선화 (전) 한국과학기술정보연구원 원장)

우리는 기후위기를 온몸으로 느끼고 있는 세대입니다. 오늘날 지구의 환경이 얼마나 최악으로 치닫고 있는지 알고 있지만, 우리가 지구를 위해 무엇을 할 수 있을지 여전히 막연하기만 합니다. 저자는 《환경은 걱정되지만 뭘 해야 할지 모르는 사람들을 위한 과학과 기술》에서 궁금했던 친환경 에너지와 친환경 자동차에 관해 명쾌하게 설명하고, 이를 통해 기후위기를 극복할 수 있는 방향을 제시하고 있습니다. 독자들이 이 책과 함께 탄소 배출 없는 깨끗한 미래를 준비할 수 있기를 바랍니다. - 전용석 (고려대학교 융합에너지공학과 교수, 투명태양전지 플랫폼 개발사업단 단장)

책 속에서

최초의 전기자동차는 독일의 발명가 안드레아스 플로켄이 만든 플로켄 엘렉트로바겐으로 알려져 있습니다. 그는 1888년 지붕이 있는 사륜마차 형태에 직류모터와 납축전지를 달아 전기자동차를 만들었습니다. 벤츠가 1885년에 최초의 엔진자동차를 발명했다고 알려져 있으니, 불과 3년 사이에 독일 발명가들이 엔진자동차와 전기자동차를 만든 겁니다. 19세기 말부터 이미 전기자동차와 엔진자동차가 경쟁한 셈입니다. 초기 달리기 성능은 오히려 엔진자동차가 전기자동차를 따라가지 못했습니다. 세계 최초로 시속 100킬로미터를 돌파한 자동차도 전기자동차였죠. 벨기에의 카레이서 카미유 제나치는 로켓 모양의 전기자동차를 만들어 세계 최초로 시속 100킬로미터를 돌파했습니다.
--- p.70

이러한 개발 과정을 거쳐 테슬라는 2008년 첫 번째 전기자동차 모델인 로드스터 1.5를 출시했습니다. 로드스터 1.5는 전기자동차로는 획기적이었습니다. 배터리를 완전히 충전하면 390킬로미터를 달릴 수 있고, 248마력의 동력을 가졌으며 제로백(정지 상태에서 시속 100킬로미터에 도달하는 데 걸리는 시간)은 4.76초였습니다. 웬만한 스포츠카와 비교해도 괜찮은 성능이었죠. 1억 원이 넘었지만 시장에서의 반응도 좋았습니다. 이후 로드스터 2.0을 거쳐 출시된 로드스터 2.5는 최고출력 288마력, 자동차의 동력이 엔진 축에 순간적으로 전달되는 힘인 최대 토크는 370뉴튼미터, 제로백은 3.83초였습니다. 이로 인해 많은 사람이 전기자동차의 성능에 놀랐고, 유튜브에서는 로드스터 2.5와 포르쉐가 경주하는 동영상이 많은 조회수를 기록하기도 했죠. 로드스터 2.5의 기술은 테슬라가 처음 독자 모델 S를 개발하는 데 큰 영향을 주었습니다.
--- pp.88~89

1990년대부터 30여 년 동안 태양광발전 산업은 해당 분야 전문가들도 놀랄 만한 속도로 발전해왔으며, 지난 10년 동안 전 세계 태양광발전 산업은 연평균 성장 속도가 35퍼센트를 넘습니다. 2019년 말 전 세계 누적 태양광 용량은 591기가와트이고, 연간 태양광 모듈을 이용한 생산 용량은 184기가와트이며, 출하량은 약 125기가와트였습니다. 보통 4인 가족 한 세대가 약 3킬로와트의 태양광발전이면 전력을 충당할 수 있는데, 591기가와트면 전 세계 약 2억 세대가 태양전지로 전력을 충당할 수 있는 양입니다. 이러한 엄청난 성장은 태양전지의 제조 비용이 급감하고, 꾸준히 효율이 상승한 데다 태양광발전 기술도 향상되었기 때문입니다. 더욱이 각국에서 실시한 재생에너지 보급 정책이 크게 기여했죠.
--- p.99

전기자동차의 느린 충전 속도도 이와 무관하지 않습니다. 보통 리튬이온전지 시스템에는 배터리 관리 시스템이 들어 있습니다. 배터리의 전압과 전류 그리고 온도 등을 실시간으로 모니터링하고, 과도한 충전과 방전을 막는 시스템입니다. 그리고 에너지 효율과 배터리 수명을 연장하기 위해 충전 속도를 조절하죠. 고속충전기가 개발되어 있지만 여러 가지 이유로 배터리 충전을 빨리하기는 어렵습니다. 이런 문제를 해결할 수 있는 기술이 있습니다. 바로 전고체배터리입니다. 전고체배터리는 배터리의 액체 전해질을 고체로 만든 겁니다. 불에 탈 수 있는 유기용매를 사용하지 않기 때문에 기본적으로 리튬이온전지보다 안정성이 높습니다. 고온 안정성과 내열성이 뛰어나 이론적으로 폭발이나 발화 가능성을 크게 낮출 수 있죠. 따라서 고속충전이 더 쉬워집니다.
--- p.114

많은 사람이 수소연료전지 자동차라고 하면 자동차에 실린 수소탱크 때문에 매우 위험하다고 생각합니다. 어떤 사람들은 수소폭탄을 싣고 다니는 것이나 다름없다고 생각해 거부감을 가지기도 하죠. 수소폭탄과 수소연료전지 자동차는 엄연히 다를 뿐더러 둘의 작동 원리를 몰라서 생기는 오해입니다. 핵융합반응을 이용하는 수소폭탄과 수소연료전지를 비교하는 것은 의미가 없습니다. 수소폭탄이 되려면 수소 핵융합반응이 일어나야 하고, 핵융합을 시작하려면 약 1억 도의 어마어마한 온도가 필요합니다. 수소보다 낮은 온도에서 핵융합을 시작하는 중수소(일반 수소보다 무거운 수소)도 10만 도는 되어야 합니다. 그래서 초고온·초고압을 만들 수 있는 원자폭탄을 기폭제로 사용하고, 중수소와 삼중수소를 사용합니다. 따라서 수소자동차에 실린 수소탱크가 수소폭탄이 될 일은 전혀 없습니다. 어쩌다 수소탱크에서 수소가 새어나간다고 해도 매우 빨리 흩어지는 성질 때문에 폭발에 이르는 경우는 거의 없고요.
--- pp.142~143

6개월을 기다린 끝에 2020년 4월 넥쏘를 받았습니다. 넥쏘는 여느 전기자동차와 다르지 않습니다. 시동을 걸어도 자동차 스피커에서 나오는 신호음밖에 나지 않고, 주행을 해도 매우 조용합니다. 다만 전기자동차와 달리 급가속을 하면 앞쪽에서 풍선에 바람 빠지는 소리가 납니다. 넥쏘에는 3킬로미터 정도 달릴 수 있는 리튬이온전지가 장착되어 있어 전기자동차처럼 달리고, 연료전지로 만든 전기는 배터리를 충전하는 데만 사용합니다. 그런데 급가속을 하면 배터리에 있는 전기가 모두 방전되기 때문에 급하게 충전하기 위해 연료전지에 빨리 수소를 집어넣다 보니 소리가 발생하는 겁니다.
--- p.150

그런데 아주 효율이 좋은 태양전지를 값싸게 만들 수 있다면 어떨까요? 태양전지를 이용해 만든 전력으로 쉽게 물을 분해해서 수소를 만들고, 이렇게 만든 수소를 저장하기 위한 암모니아를 간단하게 생산할 수 있다면 태양전지를 지붕으로 하는 커다란 배도 만들 수 있습니다. 거북선 모양으로 만들어 지붕 부분을 모두 태양전지로 덮으면 상징성도 있겠죠. 날이 좋을 때 이 배를 우리나라 근해의 잔잔한 바다로 보내는 겁니다. 그러면 태양전지가 햇빛을 받아서 전력을 생산합니다. 이 전력을 이용해 바닷물을 분해하여 수소를 만들고 공기 중의 질소와 반응시켜 암모니아를 만들 수 있습니다. 암모니아는 배 가운데에 있는 저장탱크에 저장하고요. 저장탱크에 암모니아가 다 채워지면 다시 항구로 가져와 암모니아를 수소로 만든 뒤 연료전지 자동차 등에 충전할 수 있습니다.
--- p.163

저자의 말

들어가며
친환경 에너지의 시대가 온다

1부 배터리로 달리는 전기자동차
1 정전기를 연구한 사람들
2 배터리의 시작, 볼타전지
3 최초의 전기모터
4 최초의 발전기, 패러데이 디스크
5 전류 전송 시스템, 교류모터의 시작
6 산업화를 시작한 전력공급 시스템
7 납축전지의 발명, 전기자동차의 시작
8 고성능 배터리의 출현, 리튬이온전지
9 친환경 자동차의 시작, 전기자동차의 부활
10 활짝 열린 전기자동차의 시대
11 햇빛으로 전기를 생산하는 태양전지
12 태양전지를 이용한 태양광발전
13 전기자동차에 딱 맞는 태양전지
14 전기자동차의 단점을 해결할 전고체배터리
15 꿈의 배터리, 전고체배터리

2부 연료전지로 달리는 수소자동차
1 연료전지의 시초, 기체볼타전지
2 연료전지의 실용화, 알칼리연료전지
3 다양한 연료전지의 개발
4 수소연료전지 자동차의 시작
5 수소연료전지 자동차의 미래
6 국산 수소연료전지 자동차, 넥쏘
7 물을 분해해 수소를 만들다
8 저장이 어려운 재생에너지
9 재생에너지로 생산하는 그린수소
10 탄소 배출 제로, 그린수소의 경제성
11 친환경 에너지가 만드는 탄소중립의 미래

나가며
이제는 자원보다 기술이다